摘要：为了更好地发挥大学物理实验课程在能力培养上的作用，根据CDIO模式，我们对大学物理实验课进行了新的教学设计。以卓越专业的大学物理实验教学为例，通过“用力敏传感器测量不规则固体的密度”实验的具体教学实践，结果显示，教学效果良好。这也为后续教改奠定了基础。
关键词：CDIO；大学物理实验；做中学；教学改革
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1671-9565（2015）04-071-05
CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）的缩写。CDIO工程教育模式是近几年国际工程教育的改革成果。该模式提出的具有较强可操作性的能力培养教学大纲、全面实施指引和检验测评的12条标准使其在世界范围内得到快速推广[1-3]。CDIO培养大纲明确指出，其培养目标为学生的工程基础理论知识、个人素质和发展能力、人际团队协作能力和工程系统能力[1-3]。目前国内外几十所著名高校采用了CDIO工程教育理念和教学大纲，培养出来的学生深受业界欢迎。CDIO理念同样适用于课程教改，特别是实验课程的教改。ChristopherTeoh等人于2007年就已经根据CDIO模式进行了实验教学改革[4-5]。大学物理实验是一门实验课程，而且是高等工科院校学生进入大学后接触到的第一门实验课程，其培养能力目标定为：学生独立进行实验的能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力以及创新能力等。在笔者所在学校开设该课程的专业中又有5个加入了卓越计划，卓越计划提出的目标是强化培养学生工程实践能力和创新能力。所以在大学物理实验教学改革特别是卓越专业的物理实验教学改革中，采用CDIO教学模式是教改的首选方向，我们以“用力敏传感器测量不规则固体的密度”实验教学为试点进行了实践，教学效果较好。
1大学物理实验课的教学现状和教改方向
目前在笔者学校，卓越专业学生的大学物理实验课采取分层次分专业的教学模式。分层次是指实验项目在设立方面，按照传授知识—培养综合能力—培养创新能力的思路，由易到难，分为以验证性实验为主的基本实验、综合性实验和设计性实验。分专业是指针对不同卓越专业的学生开设不同的实验项目。但是在具体实验教学中，目前的现状还是基本以教师的教为主导的，一般模式是先由教师讲解实验原理、实验步骤、注意事项和数据记录与处理等内容，并且从头到时尾演示实验全过程，甚至把实验数据处理过程都演算一遍之后，才由学生全套照做一遍。设计性实验教学中稍好一点，实验演示取消，但教师往往有较为明显的实验提示，这就直接导致设计方案全班雷同。这样一个实验做下来，大部分学生只知道怎么做，根本不清楚为何这么做。表面上看实验基本都能在规定时间中安全地成功完成，仪器损坏率低，而且由于实验报告有统一的格式要求，导致学生上交的实验报告千篇一律，教师批改倒是方便了，连设计性实验的方案步骤都一样，只需要看一下实验数据，抽改几份典型的报告即可，但又要求全部批改，结果卷面整洁与否成了实验报告打分的标准。但究其效果，要开发学生的思维能力，培养学生的创新能力、交流沟通能力，提高团队合作精神等都成了一句空话。如何充分发挥该实验课程在人才培养中的作用一直是大学物理实验课程教改的老大难问题，而CDIO教学模式的采用是解决该问题的重要途径[6][7]。采用CDIO教学模式，就是要从传统的以教师的教为主导转化成以学生的学为主导，提高学生的主观能动性和创造性，采用“做中学”项目学习方法[6][7]就是很好的选择。“做中学”项目学习方法（Learn-ingByDoing，LearningByUsingandLearningByThinking）是一种以学生的“学”为主的教学模式，具体的做法是给定一个项目任务，在教师的引导下促使学生通过分工协作建立项目组等方式查阅资料、讨论交流、实验探究等，在给定时间内解决在完成项目过程中所遇到的困难和问题。“做中学”项目学习过程中，由于学生自主性大，有利于激发学生的学习兴趣，有利于培养学生的创新意识和解决实际问题的能力。早在2011年KarstenH.Clement等人就把项目理念应用于教学，在教学计划中明确把具体的实验当作项目来处理[8]。在此次教改中我们也是采用该方法，把具体实验项目当作一个工程项目来处理，把学生进行分组，建立一个个项目组，让每个学生选做项目中感兴趣的部分，先自行动手查阅资料，再互相进行交流沟通，通过合作来共同完成项目。这种方法尤其适用于设计性实验。因为设计性实验本身的定位就是当学生已经掌握了一定的实验基本知识和实验技能之后，独立或在老师的指点下运用所学知识完成一个实验项目，包括选题和设计实验方案，给出实验步骤，独立进行实验操作、观察实验现象、记录并处理实验数据、对实验结果进行分析处理等环节并最终获得研究结论，完成实验报告。其旨在培养学生的创新能力，对于卓越专业学生还有必要加上工程能力的培养。因此我们优先在设计性实验教学上进行实践。
2基于CDIO理念的设计性实验的教学设计和实践
所谓基于CDIO理念的实验教学设计，就是把一个实验项目当作一个工程项目，分别从构思、设计、实现和运作几个方面对教师提出“教”的要求，对学生提出“学”的要求。在笔者学校，根据不同学院的专业课程开设要求，大学物理实验课程一般比大学物理延后开设一学期，目前大都开设在大二上学期，个别学院在大一下学期。由于这个阶段的学生还处于公共基础课的学习中，还没有什么工程基础知识，因此，在制订具体的实验项目教学计划时，应该多考虑让学生先了解科学实验的主要过程与工程项目中“做中学”的工程思维，为今后的专业知识学习奠定良好的基础。由于是进入大学的第一门实验课程，让学生自己寻找实验项目显然不可行，所以项目课题的构思也由指导教师提出，教师尽量在学生所学过的知识基础上，根据卓越专业不同的专业特点结合实验中心现有仪器选择那些便于学生采用“做中学”项目学习方法的项目，当然也可以先给出实验室现有仪器清单，鼓励学生课外经过资料查阅后自行确定自己感兴趣的项目课题。不过后一种可能难度较大，毕竟目前的几个卓越专业如计科、电信、化工等学生总认为大学物理实验不重要，光想拿学分，都不想在物理实验上花功夫。设计性实验课题确定好后，在教材和教学方法上也相应做出调整。我们在卓越专业学生开设的“大学物理设计性实验”课程中，教师只提实验要求和目的，实验书上也只提示某些用到的仪器的使用方法，测量原理而不涉及本身实验的具体做法。实验整个过程中，教师只起引导作用：只能做简单提示或回答学生不涉及“设计”的问题，就是设计方案在未定型前，教师对本方案“对”还是“错”也不做判断，让学生自己去发现问题解决问题；而学生在整个实验过程中要做的就是几个同学合作组成项目组，按照教师提出的实验目标完成整个实验，有问题可通过查资料或请教教师或自己动手验证等方式来进行解决，允许实验过程中“失败”情况发生，允许借鉴别组同学经验，但必须有创新点。为了鼓励学生自己动脑动手设计实验方案，杜绝抄袭数据现象发生，在对照12条标准后对其中的11条学生考核上做了较大调整。为了在考核能体现出把学生基础知识是否扎实、个人能力、团队协作能力等，在评分制度中根据实验设计方案是否描述清晰、方案是否新颖、是否通过协作对方案进行改进等方面分别给定不同分值进行评定。比如方案描述是否清晰既要看口头汇报，还要看书面描述，书面描述中鼓励学生用必要的图表描述；方案是否新颖是指普通的、可以从网上直接搜到的方案相对得分低，有创新的、甚至因为要创新而失败但总结失败原因并重新设计的、有方案改进写过比较的得分就高；设计的方案允许失败、鼓励推倒重来，只要在规定时间内完成并在可行性研究中分析失败原因；鼓励方案改进，但在实验总结中要有新旧方案的对比及新方案的优越性说明，方案的改进包括实验内容的改进，也包括数据处理方法的改进；这样一来，可以大大提高了学生实验的兴趣和积极性。
3“用力敏传感器测量不规则固体的密度”实验的教学设计和实践
下面，以“用力敏传感器测量不规则固体的密度”这个设计性实验项目在几个卓越专业的学生中进行试点。该实验安排在学生已经完成了8个基础、综合实验以后，正式排课4课时，但为了保证项目的实施，限时两周，在这两周时间内实验中心向学生开放，实验室老师全部到岗以提供技术支持。
3.1构思阶段
考虑到实验项目能尽量以学生已有知识为基础，又要接近生活实际，注重实用性，能激发学生兴趣，结合实验中心已有实验仪器，构思一个合适的设计性实验项目，这是项目顺利能实施的关键。我们大学物理实验中心四位教师经过挑选，给定了四个命题项目以供学生选择，“用力敏传感器测量不规则固体的密度”实验就是其中之一。该实验中的力敏传感器在基础实验“液体表面张力系数的测量”实验中学生已经用过，而不规则固体密度的测量还是比较实用的，在生活中可以用于检验买到的东西的真伪。指导教师在定好项目后，向学生发布，由学生从4个项目中自行选课选择自己感兴趣的项目。然后教师在第一个课时的时候向选其项目的学生布置任务并提出实验要求，为了让学生能了解工程项目的过程还设计了8个思考题，要求学生在具体设计前先考虑清楚，并解答于实验报告本。
3.2设计阶段
学生接受任务后，先进行分组，一般要求两人一组。每组学生可以直接根据已有知识、到手的仪器开始讨论、设计实验方案，也可以先查找资料再进行设计，只要求在一周内交出确实可行的、得到教师认可的实验方案。为了拓展学生的思路，让学生能提出多种方案进行比较，实验室给每组配备一套测量液体表面张力系数实验仪，在另外单列的一张实验桌上又摆放了一些基础仪器，允许每组学生最多可以从中再申请一种。设计方案就是对关键问题的把握。“用力敏传感器测量不规则固体的密度”实验，根据密度定义公式：要确定的就是m和V的测量。而学生对力敏传感器的应用已经掌握，测m没问题。该项目的关键技术，就是对V的测量，并要求不能降低因采用力敏传感器而获得的精度，这就需要进行设计、试验，这些工作需要项目团队两人合作完成。经过项目组两人的讨论，制订实验方案后，给出具体实验步骤。接下去是该方案的可行性研究：根据已设计出的实验步骤进行预实验，对得到的实验数据进行预处理，并把结果与公认值进行比较，做出如图1所示的决策。多次预实验后正式确定方案后，要求团队选一位主讲人对设计方案、关键技术及步骤等内容向指导教师进行汇报，在讲述过程中训练表达能力。获得认可后在实验报告本上撰写完整的实验方案和实验步骤。由于是设计性实验，重在设计，所以实施运行阶段排在最后，只给两课时时间，所以在设计阶段还包括按最初的实验要求设计好数据处理格式。所有同学必须在一周内完成此项任务。
3.3实施和运行阶段
两课时的实施运行时间包括完成正式实验操作、数据记录、数据处理、误差分析，结果讨论，完成完整实验报告并当堂上交。时间较紧，这就要求项目组两位同学分工合作，每项工作责任到人，每个学生都有自己的任务，无法滥竽充数地混过去，学习效率大为提高。合作能培养项目组成员的团队意识、协作精神，同时还可让学生在与别组学生互相探讨过程中锻炼多方面的能力，为学生今后开展打下良好基础。此后留一周时间要求学生各自撰写总结报告，分别结合自己安排到的任务侧重点进行总结，每人一份，分组上交，也列入考核内容。
3.4实践效果
采用CDIO教育模式的设计性实验中，学生认为实验中可以自由发挥，不需要一板一眼按书上来，从而实验兴趣和积极性大为提高。由于评分机制的改变，在设计阶段学生讨论相当踊跃，并喜欢与方案类似的其它组进行比较来改进方案，但对于认为是自己特色的方案细节相当坚持，实施前一周来实验室做实验的人数有了明显提高。由于在评价机制上的激励，出现了相当多不错的方案，虽然有些方法要比一般用的排水法稍显麻烦，甚至由于选用的仪器导致误差加大，教师批改时也不像原先千篇一律的方案方便了，但总体效果还是相对突出的。出现了一些优秀的实验报告、总结报告，更行之有效地锻炼了学生撰写论文和口头表达能力。
4结语
按照CDIO教学理念在卓越专业的大学物理设计性实验中进行实验教学改革，以“用力敏传感器测量不规则固体的密度”实验为例，在一个具体的大学物理实验中引入工程环境。结果体现在期末学生教学座谈会上，所有与会的学生一致认为本学期最有兴趣也是最有收获的就是设计性实验。兴趣就是最好的老师，只有激发起学生的学习兴趣，学生才有可能在“学”的过程中得到更多能力的培养，本次教改是成功的。
参考文献：
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作者：金丹青 单位：宁波工程学院
